闕 飚 陸 藝 胡曉峰 羅 哉 范偉軍

（1.中國(guó)計(jì)量學(xué)院；2.杭州沃鐳科技有限公司）

1 前言

汽車制動(dòng)主缸是液壓制動(dòng)系統(tǒng)中的核心部件，為確保汽車行駛安全，制動(dòng)主缸生產(chǎn)廠家在產(chǎn)品出廠前必須對(duì)其性能進(jìn)行全面檢測(cè)。目前我國(guó)的制動(dòng)主缸性能檢測(cè)設(shè)備多采用開環(huán)控制系統(tǒng)，普遍存在檢測(cè)精度低和檢測(cè)周期長(zhǎng)等問(wèn)題。國(guó)外進(jìn)口的設(shè)備雖然檢測(cè)精度高、檢測(cè)項(xiàng)目全面，但其價(jià)格昂貴、維護(hù)成本高，不符合我國(guó)廠商的實(shí)際情況。

我國(guó)各科研機(jī)構(gòu)對(duì)制動(dòng)主缸氣密性檢測(cè)研究較多，但影響制動(dòng)主缸性能的關(guān)鍵因素還有液壓特性等，故只針對(duì)氣密性進(jìn)行檢測(cè)無(wú)法全面反映其性能[1]。為此，本文在研究制動(dòng)主缸結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，參考汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 311—2008《汽車液壓制動(dòng)主缸性能要求及臺(tái)架試驗(yàn)方法》，設(shè)計(jì)了一套測(cè)試項(xiàng)目全面的汽車液壓制動(dòng)主缸綜合性能檢測(cè)系統(tǒng)。

2 制動(dòng)主缸結(jié)構(gòu)原理及測(cè)試項(xiàng)目

汽車制動(dòng)主缸分雙腔串列制動(dòng)主缸、柱塞式制動(dòng)主缸和中心閥式制動(dòng)主缸。由于中心閥式制動(dòng)主缸應(yīng)用廣泛，因此本文的測(cè)試系統(tǒng)主要針對(duì)中心閥式制動(dòng)主缸的性能進(jìn)行測(cè)試。

2.1 中心閥式制動(dòng)主缸結(jié)構(gòu)及工作原理

中心閥式制動(dòng)主缸主體結(jié)構(gòu)由第1活塞、供液腔、制動(dòng)腔、回位彈簧和中心閥等組成，如圖1所示。

制動(dòng)主缸在不工作狀態(tài)下，連接供液腔和制動(dòng)腔的中心閥處于開啟狀態(tài)，供液腔和制動(dòng)腔相互連通。當(dāng)制動(dòng)時(shí)，駕駛員踩下制動(dòng)踏板，經(jīng)真空助力器放大的制動(dòng)踏板力推動(dòng)主缸第1活塞運(yùn)動(dòng)，此時(shí)在復(fù)位彈簧作用下中心閥閥口間隙逐漸減小直至關(guān)閉，第1制動(dòng)腔建立起工作液壓，制動(dòng)液由排液孔泵入制動(dòng)管路產(chǎn)生制動(dòng)。第2制動(dòng)腔建壓原理與第1制動(dòng)腔相似。當(dāng)汽車解除制動(dòng)時(shí)，在第1回位彈簧和第2回位彈簧的共同作用下推動(dòng)活塞回到原始位置，同時(shí)在控制銷的作用下使中心閥開啟，制動(dòng)主缸恢復(fù)初始狀態(tài)，制動(dòng)力解除。

2.2 汽車制動(dòng)主缸性能測(cè)試項(xiàng)目

制動(dòng)主缸性能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理如圖2所示，其綜合性能的檢測(cè)項(xiàng)目包括以下5項(xiàng)。

a.初始建壓行程測(cè)試。制動(dòng)主缸初始建壓行程直接影響制動(dòng)距離，其測(cè)試方法為:加載裝置推動(dòng)第1活塞運(yùn)動(dòng)，當(dāng)各制動(dòng)腔分別建立起0.1 MPa工作液壓時(shí)，測(cè)量第1活塞移動(dòng)的位移[2]。

b.輸出功能測(cè)試。輸出功能是制動(dòng)主缸能否正常建立起工作液壓的一項(xiàng)重要指標(biāo)，其測(cè)試方法為:加載裝置推動(dòng)第1活塞運(yùn)動(dòng)，建立主缸最高工作液壓和一腔失效時(shí)的液壓狀態(tài)，同時(shí)計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集液壓傳感器數(shù)據(jù)并描繪出位移-壓力曲線。

c.密封性測(cè)試。密封性可分為真空密封性、液壓密封性、氣壓密封性三部分。真空密封性測(cè)試方法為:當(dāng)關(guān)閉排液孔并從供液孔抽真空時(shí)，測(cè)量缸體30 s內(nèi)壓力上升值；液壓密封性測(cè)量方法為:當(dāng)主缸建立起最高工作液壓及130%最高工作液壓時(shí)，測(cè)量各制動(dòng)腔5 s內(nèi)壓力降；氣壓密封性反映了制動(dòng)腔與供液腔之間的密封性，其測(cè)試方法為:加載機(jī)構(gòu)推動(dòng)第1活塞運(yùn)動(dòng)至設(shè)定行程5～12 mm位置，同時(shí)系統(tǒng)向排液孔充氣，測(cè)量各制動(dòng)腔在10 s內(nèi)壓力降。

d.無(wú)負(fù)載回程時(shí)間測(cè)試?；爻虝r(shí)間是指主缸在無(wú)任何負(fù)載及外力作用下，第1活塞完全返回原位的時(shí)間，其測(cè)試方法為:加載裝置推動(dòng)主缸活塞到達(dá)最大行程位置，此時(shí)關(guān)閉負(fù)載裝置進(jìn)液孔，然后迅速撤銷加載力，測(cè)量主缸活塞在無(wú)任何其它限制條件下完全返回原位的時(shí)間。

e.壓差性能測(cè)試。

3 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)測(cè)試項(xiàng)目并依據(jù)我國(guó)現(xiàn)階段汽車液壓制動(dòng)主缸的生產(chǎn)狀況及產(chǎn)品技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了全自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

測(cè)試系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)為:力測(cè)量精度為0.1%，氣液壓測(cè)量精度為0.3%，位移測(cè)量分辨率為0.1 mm，時(shí)間測(cè)量分辨率為0.01 s。

3.1 計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用研華PCI-1711高精度數(shù)據(jù)采集卡，其擁有16路12位單端模擬量輸入通道，采樣速率為100 kHz，還有2路模擬量輸出通道和16路數(shù)字量輸入輸出通道[3]。在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中,為模擬不同制動(dòng)狀態(tài)下主缸推桿力的精確加載與快速釋放，選用了MPC08運(yùn)動(dòng)控制卡。MPC08卡采用先進(jìn)的控制芯片，具有梯形升降速曲線，最高輸出頻率為4.0 MHz，適用于數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)或閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，同時(shí)可外接原點(diǎn)、減速、限位等開關(guān)信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)回原點(diǎn)、保護(hù)等功能，這些開關(guān)信號(hào)由MPC08卡自動(dòng)檢測(cè)并作出反映[4]。

3.2 真空子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

真空子系統(tǒng)為檢測(cè)系統(tǒng)提供了準(zhǔn)確的真空度，其構(gòu)成如圖4所示。

在真空子系統(tǒng)中，選用極限壓力為0.06 Pa、抽氣速率為4 L/s的真空泵，可為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的真空度。利用電氣比例閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)所需的真空度，二位二通電磁閥負(fù)責(zé)氣路的開啟與關(guān)閉。選用量程為-1～0 bar、測(cè)量精度為0.3%的真空傳感器對(duì)測(cè)試系統(tǒng)真空度進(jìn)行精確采集。

當(dāng)測(cè)量真空密封性時(shí)，首先將被測(cè)主缸裝配在檢測(cè)臺(tái)上，關(guān)閉排液孔，兩供液孔與真空子系統(tǒng)相連接。然后真空泵開始對(duì)系統(tǒng)抽真空，當(dāng)缸體內(nèi)部真空度達(dá)到設(shè)定值時(shí)切斷真空源，此時(shí)電磁閥4和電磁閥8關(guān)閉，穩(wěn)壓后測(cè)量主缸內(nèi)部壓力的上升值。

3.3 氣壓子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣壓子系統(tǒng)主要用于氣壓密封性能測(cè)試及夾緊氣缸的運(yùn)動(dòng)控制，其構(gòu)成如圖5所示。

在氣壓子系統(tǒng)中，通過(guò)氣源向儲(chǔ)氣罐進(jìn)行充氣加壓，從而提供所需的氣壓值。利用電氣比例閥4調(diào)節(jié)測(cè)試系統(tǒng)輸入氣壓值，電磁閥負(fù)責(zé)氣路的開啟與關(guān)閉。調(diào)壓閥13通過(guò)調(diào)節(jié)夾緊氣缸的輸入氣體流量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)氣缸推桿運(yùn)動(dòng)速度的控制。選用量程為0～9 bar、測(cè)量精度為0.3%的氣壓傳感器對(duì)系統(tǒng)氣壓值進(jìn)行精確采集。

測(cè)試氣壓密封性時(shí)，首先將被測(cè)主缸安裝在檢測(cè)臺(tái)上，將兩排液孔與氣壓子系統(tǒng)相連接，打開氣源開關(guān)，向儲(chǔ)氣罐進(jìn)行充氣加壓。然后電氣比例閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸入氣壓至20 kPa，同時(shí)伺服加載機(jī)構(gòu)推動(dòng)主缸活塞至設(shè)定行程位置，關(guān)閉電磁閥6和電磁閥10。穩(wěn)壓后測(cè)量制動(dòng)主缸兩制動(dòng)腔在10 s內(nèi)的壓力降。

3.4 液壓子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓子系統(tǒng)用于對(duì)制動(dòng)主缸輸出功能、無(wú)負(fù)載回程時(shí)間及液壓密封性等液壓特性進(jìn)行測(cè)試，其構(gòu)成如圖6所示。

在液壓子系統(tǒng)中，利用回油緩沖瓶向制動(dòng)主缸補(bǔ)充制動(dòng)液。選用量程為0～250 bar、測(cè)量精度為0.3%的液壓傳感器對(duì)制動(dòng)主缸第1、2制動(dòng)腔輸出的液壓進(jìn)行精確測(cè)量。負(fù)載裝置主要用來(lái)替代實(shí)車中的制動(dòng)輪缸，以實(shí)現(xiàn)液壓輸出及卸載的功能。選用最高工作壓力為350 bar、最大流量為120 L/min的液壓零泄漏閥，消除了因液壓泄漏對(duì)液壓性能測(cè)試的影響。

在制動(dòng)主缸液壓性能測(cè)試開始前，先將制動(dòng)主缸安裝在檢測(cè)臺(tái)上，啟動(dòng)排氣注油程序?qū)χ苿?dòng)主缸進(jìn)行排氣注油，排氣注油完成后再對(duì)制動(dòng)主缸液壓密封性能、初始建壓行程、壓差性能以及無(wú)負(fù)載回程時(shí)間進(jìn)行測(cè)試。

初始建壓行程測(cè)試流程為:伺服加載機(jī)構(gòu)推動(dòng)主缸活塞以0.5 mm/s的速度向前運(yùn)動(dòng)，計(jì)算機(jī)繪出第1、2制動(dòng)腔輸出液壓隨輸入位移變化曲線，并分別記錄主缸各制動(dòng)腔建立起0.1 MPa液壓時(shí)活塞移動(dòng)的位移。

液壓密封性能測(cè)試流程為:伺服加載機(jī)構(gòu)推動(dòng)主缸活塞向前運(yùn)動(dòng)直至主缸建立起最高工作液壓，保持推桿位置不變，穩(wěn)壓5 s后測(cè)量主缸各制動(dòng)腔在30 s內(nèi)的壓力降。

壓差性能測(cè)試流程為:伺服加載機(jī)構(gòu)推動(dòng)主缸活塞以3 mm/s的速度向前運(yùn)動(dòng)，液壓傳感器測(cè)量各制動(dòng)腔輸出液壓值，當(dāng)某一腔液壓到達(dá)5.0 MPa時(shí)，分別記錄兩制動(dòng)腔輸出液壓值，兩者差值即為緩加壓壓差。然后液壓零泄漏閥3、4開啟，制動(dòng)液回流至回油緩沖瓶，伺服加載機(jī)構(gòu)快速推動(dòng)主缸活塞，使制動(dòng)腔以25 MPa/s的速率上升，測(cè)量當(dāng)主缸兩制動(dòng)腔中有一個(gè)建立起13.0 MPa液壓時(shí)兩制動(dòng)腔的壓力差值，此值即為急加壓壓差。

4 測(cè)試結(jié)果及分析

利用設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)對(duì)某汽車中心閥式制動(dòng)主缸性能進(jìn)行測(cè)試，將測(cè)試數(shù)據(jù)與汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T311—2008及廠家的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析。根據(jù)《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》（JJF 1059—1999）中不確定度的定義及評(píng)定要求，對(duì)各測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行不確定度評(píng)定[5]。

4.1 制動(dòng)主缸液壓性能測(cè)試結(jié)果分析

制動(dòng)主缸初始建壓行程測(cè)試結(jié)果如圖7所示。圖7中曲線1和曲線2分別表示第1制動(dòng)腔、第2制動(dòng)腔的輸出液壓與第1活塞位移之間的關(guān)系。測(cè)試軟件自動(dòng)標(biāo)出各制動(dòng)腔在建立起0.1 MPa工作液壓時(shí)第1活塞移動(dòng)的位移特征點(diǎn)，分別用Smin1（第1制動(dòng)腔初始建壓行程）和Smin2（第2制動(dòng)腔初始建壓行程）表示。

緩加壓壓差性能測(cè)試結(jié)果如圖8所示。圖8中曲線1和曲線2分別表示第1制動(dòng)腔、第2制動(dòng)腔的工作液壓與第1活塞位移之間的關(guān)系。測(cè)試軟件自動(dòng)獲取當(dāng)兩制動(dòng)腔中的某一腔達(dá)到5.0 MPa工作液壓時(shí)兩制動(dòng)腔的壓力差值。

急加壓壓差性能測(cè)試結(jié)果如圖9所示。圖9中曲線1和曲線2分別表示第1制動(dòng)腔、第2制動(dòng)腔工作液壓與加載時(shí)間的關(guān)系。測(cè)試軟件自動(dòng)獲取兩工作腔中的某一腔建立起13.0 MPa工作液壓時(shí)兩制動(dòng)腔之間的壓力差值。

由表1性能測(cè)試數(shù)據(jù)可知，制動(dòng)主缸的測(cè)試結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 測(cè)試特征值

4.2 密封性測(cè)試結(jié)果分析

對(duì)制動(dòng)主缸的真空密封性、氣壓密封性和液壓密封性分別進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所列。表2中Vp為真空密封性測(cè)試值，Ap1、Ap2分別為第1制動(dòng)腔和第2制動(dòng)腔的氣壓密封性測(cè)試值，Hp1、Hp2分別為第1制動(dòng)腔和第2制動(dòng)腔的液壓密封性測(cè)試值。由表2可知，被測(cè)制動(dòng)主缸密封性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 密封性測(cè)試結(jié)果

4.3 測(cè)試結(jié)果的不確定度分析

測(cè)量重復(fù)性引起的不確定度用A類方法評(píng)定，傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)誤差等引起的不確定度用B類方法評(píng)定。

A類不確定度計(jì)算式為:

式中，xk為單次測(cè)量的特征值；s（xk）為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差；uA為A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc（y）由各影響因子測(cè)得值xi的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)不確定度uxi合成求得，即

式中，f為被測(cè)量y與測(cè)得值x之間的函數(shù)關(guān)系；?f/?xi為靈敏系數(shù)，表示測(cè)量值xi變化對(duì)被測(cè)量y的影響程度；uxi為由A類方法或B類方法評(píng)定的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

4.3.1 初始建壓行程測(cè)量不確定度

重復(fù)進(jìn)行10次初始建壓行程測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見表3（只列出第1制動(dòng)腔初始建壓行程Smin1）。

表3 初始建壓行程測(cè)試數(shù)據(jù)

將表 3的測(cè)試結(jié)果代入式 （1）和式（2），計(jì)算得到測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差us=0.1523 mm，則由測(cè)量重復(fù)性引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量 u（Smin1）=us=0.1523 mm。

位移傳感器的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量由標(biāo)定報(bào)告得到，即u（s）=0.1999 mm；數(shù)據(jù)采集卡的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u（ss）=0.0748 mm；機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)誤差引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u（ms）=0.0796 mm。

則第1制動(dòng)腔初始建壓行程合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

計(jì)算可得uc=0.2740 mm。

取置信概率P=95%，查t分布表得包含因子k=2，則擴(kuò)展不確定度U為:

計(jì)算得U=0.5480 mm。

4.3.2 其它項(xiàng)目測(cè)量不確定度

對(duì)其它測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行不確定度評(píng)定，結(jié)果如表4所列。不確定度分析結(jié)果表明，在現(xiàn)有條件下，各測(cè)試項(xiàng)目的試驗(yàn)結(jié)果在一定置信度下的置信范圍是可被接受的。

表4 其它測(cè)試項(xiàng)目不確定度評(píng)定結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一套制動(dòng)主缸綜合性能測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于機(jī)、電、液、氣及計(jì)算機(jī)控制一體化技術(shù)的綜合測(cè)試系統(tǒng)，其檢測(cè)精度高、系統(tǒng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可對(duì)制動(dòng)主缸的8項(xiàng)性能全面檢測(cè)，完全符合汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及制動(dòng)主缸生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品性能檢測(cè)需求。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，設(shè)備安全可靠，測(cè)試數(shù)據(jù)合理有效，可很好地對(duì)制動(dòng)主缸性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 張津津，馬朝永，等.差壓檢測(cè)法在汽車制動(dòng)主缸氣密性檢測(cè)中的應(yīng)用.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2007（5）:116～118.

2 QC/T 311-2008.汽車液壓制動(dòng)主缸性能要求及臺(tái)架試驗(yàn)方法.2008.

3 陸藝，郭斌，等.基于高速數(shù)據(jù)采集的離合器踏板特性測(cè)試系統(tǒng).汽車技術(shù)，2011（9）:48～51.

4 金浪濱，陸藝，等.真空助力器性能在線檢測(cè)系統(tǒng)的研究.汽車技術(shù)，2012（5）:50～53.

5 JJF1059—1999測(cè)量不確定度評(píng)定與表示.北京:中國(guó)計(jì)量出版社，1999.